Schon vor ihrem Durchbruch in Hollywood war Lena Olin als Schauspielerin in Schweden erfolgreich. Wie ihr Vater Stig Olin spielte sie am Royal Theater in Stockholm.
International bekannt wurde sie durch ihre Rolle als Irina in der Agentenserie Alias. Von 2014 bis 2015 ist Olin in der Comedyserie Welcome to Sweden zu sehen. Anschließend ist sie in drei Episoden der Musikserie Vinyl zu Gast. 2017 übernimmt die Darstellerin in der Sky-Produktion Riviera eine Hauptrolle.
Mit ihrem langjährigen Partner, dem schwedischen Schauspieler Örjan Ramberg, bekam sie 1986 Sohn August.
Seit 1994 ist Lena Olin mit dem schwedischen Regisseur Lasse Hallström verheiratet. Die gemeinsame Tochter Tora kam 1995 zur Welt. Die Familie lebt in New York.